秦劍，劉晨，齊志強(qiáng)，喬良

(1. 中國電力科學(xué)研究院有限公司，北京100055；2. 國網(wǎng)山東省電力公司，濟(jì)南250001)

0 引言

放線施工是輸電線路施工的一道重要工序，根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，特高壓工程中均采用張力放線方式[1]，使導(dǎo)線在施工過程中始終處于架空狀態(tài)，避免導(dǎo)線與地面接觸造成表面磨損，從而減少導(dǎo)線帶電運(yùn)行后的電暈損耗和電磁污染。因此，張力放線施工方法和工藝水平的高低對線路施工質(zhì)量有著重大影響[2 - 4]。

隨著電壓等級的不斷提高，導(dǎo)線截面尺寸也在不斷增大，從常用的630 mm2截面導(dǎo)線，發(fā)展至1 660 mm2大截面導(dǎo)線，對張力放線施工機(jī)具的承載性能也有了更高要求。而目前張力放線計(jì)算中主要采用的斜拋物線法在大高差、大跨距等復(fù)雜地形下計(jì)算結(jié)果不夠精確，在導(dǎo)線連接器、卡線器、滑車載荷等關(guān)鍵參數(shù)的計(jì)算上有一定誤差，不能為施工機(jī)具的設(shè)計(jì)提供更準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)支持[5]。

張力放線施工作業(yè)受環(huán)境影響較大，尤其山區(qū)地形下張力場選址困難，放線區(qū)段長度可達(dá)10 km，任何一個(gè)作業(yè)點(diǎn)出現(xiàn)問題就會造成整個(gè)區(qū)段停工，對施工進(jìn)度影響較大，因此放線過程中的狀態(tài)分析和計(jì)算非常重要[6]。而目前采用的斜拋物線法僅對牽引板(連接牽引繩與導(dǎo)線)在鐵塔滑車處的狀態(tài)進(jìn)行計(jì)算[7]，無法計(jì)算牽引板在任意位置時(shí)的導(dǎo)線弧垂、牽引機(jī)及張力機(jī)載荷、導(dǎo)線對滑車的包絡(luò)角等，造成放線區(qū)段的計(jì)算及監(jiān)控盲區(qū)。

另外，現(xiàn)有施工標(biāo)準(zhǔn)DL/T 5286—2013[1]中采用的滑車綜合阻力系數(shù)為滑車兩側(cè)牽引繩或?qū)Ь€張力的比值，忽略了滑車所受載荷對阻力的影響，與實(shí)際情況不符，當(dāng)滑車較多、導(dǎo)線對滑車包絡(luò)角較大時(shí)存在較大偏差，造成牽引力、張力計(jì)算誤差。

因此，本文提出適用于輸電線路張力放線連續(xù)過程分析的精確計(jì)算方法，計(jì)算了放線過程中的張力機(jī)載荷(放線張力)、牽引機(jī)載荷(牽引力)、導(dǎo)線過滑車支反力及包絡(luò)角、導(dǎo)線空間坐標(biāo)等變化情況，并在特高壓工程中進(jìn)行現(xiàn)場試驗(yàn)，驗(yàn)證了計(jì)算方法的準(zhǔn)確性，為施工過程放線提供技術(shù)支撐。

1 張力放線系統(tǒng)

張力放線的基本程序?yàn)椋簩?dǎo)引繩展放，導(dǎo)引繩牽放牽引繩，牽引繩牽放導(dǎo)線。只有牽放導(dǎo)線時(shí)涉及導(dǎo)線質(zhì)量，因此本文僅針對牽引繩牽放導(dǎo)線過程進(jìn)行分析研究。

導(dǎo)線牽放包括一牽1(1根牽引繩牽放1根導(dǎo)線)、一牽2(1根牽引繩牽放2根導(dǎo)線)、一牽4(1根牽引繩牽放4根導(dǎo)線)等方式。

張力放線系統(tǒng)由牽引機(jī)、張力機(jī)、牽引繩、導(dǎo)線、牽引板、放線滑車(懸掛于鐵塔橫擔(dān)下方)等組成，如圖1所示。

圖1 張力放線系統(tǒng)示意圖Fig.1 Schematic diagram of tension stringing system

2 張力放線連續(xù)過程計(jì)算方法

2.1 放線參數(shù)

以張力機(jī)、牽引機(jī)、放線滑車為放線系統(tǒng)的節(jié)點(diǎn)，牽引板為移動節(jié)點(diǎn)。設(shè)共有n+1個(gè)節(jié)點(diǎn)(放線滑車n-1個(gè))，節(jié)點(diǎn)間相對高差為hi，i=1,…,n， 相對跨距為Li，i=1,…,n。 放線系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)示意圖如圖2所示。

圖2 張力放線系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)Fig.2 Nodes of tension stringing system

2.2 張力放線系統(tǒng)方程

根據(jù)放線系統(tǒng)模型，可建立連續(xù)放線系統(tǒng)方程組，包括節(jié)點(diǎn)間高差及跨距方程、牽引板在導(dǎo)線及牽引繩作用下的平衡方程、導(dǎo)線及牽引繩在滑車前后的平衡方程及施工控制方程等。

2.2.1 節(jié)點(diǎn)間高差及跨距方程

在放線系統(tǒng)中，認(rèn)為導(dǎo)線是從牽引板到張力機(jī)間的具有彈性的連續(xù)柔性索。當(dāng)牽引板位于節(jié)點(diǎn)k及k+1之間時(shí)，導(dǎo)線被滑車節(jié)點(diǎn)分割為k個(gè)懸鏈線段。各懸鏈線段的高差hci及跨距Lci表達(dá)式[8 - 9]如式(1)所示。

(1)

同樣，認(rèn)為牽引繩是從牽引機(jī)到牽引板的連續(xù)柔性索，當(dāng)牽引板位于節(jié)點(diǎn)k及k+1之間時(shí)，牽引繩被滑車節(jié)點(diǎn)分割為n-k+1個(gè)懸鏈線段。各懸鏈線段的高差hrj及跨距Lrj表達(dá)式為：

(2)

從放線施工整體系統(tǒng)考慮，認(rèn)為在放線過程中張力機(jī)、牽引機(jī)、放線滑車各節(jié)點(diǎn)之間的距離始終不變，因此當(dāng)牽引板位于節(jié)點(diǎn)k及k+1之間時(shí)，可以建立節(jié)點(diǎn)間的高差h及跨距L方程如式(3)—(4)所示。

(3)

(4)

2.2.2 牽引板平衡方程

當(dāng)牽引板位于節(jié)點(diǎn)k及k+1之間時(shí)，認(rèn)為牽引板在導(dǎo)線、牽引繩及重力的作用下保持平衡。牽引板(一牽2)示意圖如圖3所示，牽引板所受載荷如圖4所示。

圖3 一牽2的牽引板示意圖Fig.3 Schematic diagram of one pulls two traction board

圖4 牽引板所受載荷Fig.4 Load on the traction board

因此當(dāng)牽引板位于節(jié)點(diǎn)k及k+1之間時(shí)，垂直方向的平衡方程為：

(5)

水平方向所受載荷包括導(dǎo)線、牽引繩對牽引板的水平力，因此水平方向的平衡方程為：

Hrk=CnHck

(6)

2.2.3 滑車前后平衡方程

通過滑車的導(dǎo)線、牽引繩受到的滑車摩阻力的作用，導(dǎo)線通過滑車節(jié)點(diǎn)i+1時(shí)的載荷示意圖如圖5所示。

圖5 導(dǎo)線對滑車節(jié)點(diǎn)的載荷Fig.5 Load of pulley node by conductor

因此，當(dāng)牽引板位于節(jié)點(diǎn)k及k+1之間時(shí)，導(dǎo)線、牽引繩受滑車摩阻力的方程為：

(7)

另外，導(dǎo)線、牽引繩對滑車的包絡(luò)角β表達(dá)式分別為：

(8)

(9)

2.2.4 施工控制方程

連續(xù)張力放線施工過程中，需要根據(jù)現(xiàn)場條件在不同時(shí)間對放線系統(tǒng)進(jìn)行作業(yè)控制。控制方式主要為牽引力控制、張力控制(為保證系統(tǒng)的平衡穩(wěn)定，2種控制方式不能同時(shí)采用)。

(1)當(dāng)需要保持穩(wěn)定的張力機(jī)出口張力時(shí)，采用張力控制。建立張力控制方程如式(10)所示。

(10)

式中T張為給定的張力機(jī)出口張力，N。

(2)當(dāng)需要增加牽引機(jī)牽引力時(shí)，采用牽引力控制。建立牽引力控制方程如式(11)所示。

(11)

式中T牽為給定的牽引機(jī)出口牽引力，N。

另外在施工中可控制牽引板的位置，因此建立牽引板行進(jìn)控制方程如式(12)所示。

(12)

式中L牽為張力機(jī)到牽引板的水平距離，m。

2.2.5 放線系統(tǒng)方程組

以上節(jié)點(diǎn)間高差及跨距方程、牽引板平衡方程、滑車前后平衡方程及控制方程可以構(gòu)成閉合的非線性方程組，共包括3n+3個(gè)方程，待定未知數(shù)為Sci、Hci、Vci(i=1, …,k)，Srj、Hrj、Vrj(j=k, …,n)。

2.3 放線過程連續(xù)迭代

以張力機(jī)到牽引板的水平距離L牽作為連續(xù)放線的過程參數(shù)。在放線開始時(shí)，L牽為0，按無導(dǎo)線情況下的非線性方程組計(jì)算獲得Srj、Hrj、Vrj等初始結(jié)果。

改變牽引繩水平位置L牽，以初始結(jié)果作為上一狀態(tài)結(jié)果，按當(dāng)前的牽引繩及導(dǎo)線長度對上一狀態(tài)結(jié)果進(jìn)行分解，作為在當(dāng)前控制條件下構(gòu)成的非線性方程組迭代初值，計(jì)算當(dāng)前狀態(tài)下各節(jié)點(diǎn)間牽引繩、導(dǎo)線的長度、水平張力、節(jié)點(diǎn)垂直力。該迭代方法能保證非線性方程組的收斂性。

通過連續(xù)計(jì)算即可得到牽引力、放線張力、各滑車節(jié)點(diǎn)上滑車包絡(luò)角及載荷等參數(shù)隨牽引板行進(jìn)的變化過程。并根據(jù)懸鏈線方程[10 - 11]可以得到放線過程中任意點(diǎn)處牽引繩、導(dǎo)線的空間位置。

3 現(xiàn)場放線工程試驗(yàn)

為深入研究放線施工過程中放線滑車受力、觀測檔弧垂等參數(shù)變化，驗(yàn)證連續(xù)張力放線計(jì)算方法，在青海-河南±800 kV特高壓直流工程某標(biāo)段開展了現(xiàn)場放線工程試驗(yàn)。測量放線過程中放線滑車所受載荷、觀測檔導(dǎo)線弧垂等數(shù)據(jù)，并與計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對比分析。

3.1 放線試驗(yàn)布置

3.1.1 放線區(qū)段及設(shè)備安裝

放線區(qū)段為N4911—N4920，區(qū)段最大高差為111 m、最大跨距為1 026 m。。

放線工程試驗(yàn)示意圖如圖6所示，將無線力傳感器連接在5號(N4915)、7號(N4917)、8號(雙滑車)(N4918)放線滑車上，串聯(lián)方式如圖7所示。試驗(yàn)時(shí)在塔位下方附近設(shè)置數(shù)據(jù)采集點(diǎn)，由便攜式計(jì)算機(jī)讀取無線力傳感器實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。

3.1.2 放線施工參數(shù)

采用同極導(dǎo)線3×(一牽2)同步展放方式，以公稱方徑28 mm的防扭鋼絲繩作為牽引繩，通過牽引板牽引1 250 mm2大截面導(dǎo)線。

1-張力機(jī)；2-牽引機(jī)；3-塔架；4-放線滑車；5-無線力 傳感器；6-導(dǎo)線圖6 放線工程試驗(yàn)示意圖Fig.6 Schematic diagram of tension stringing engineering test

1-橫擔(dān)；2-掛具；3-放線滑車；4-無線力傳感器圖7 無線力傳感器連接Fig.7 Connection of wireless tension sensor

導(dǎo)線抗拉剛度EEAc=25 090 kN，導(dǎo)線單位重力qc=41.67 N/m；牽引板重力Z=1 086.82 N；牽引繩抗拉剛度EEAR=25 434 kN，牽引繩單位重力qr=28.22 N/m。

試驗(yàn)時(shí)張力機(jī)初始控制張力值設(shè)定為25 kN，在導(dǎo)線通過5號滑車后，為調(diào)整導(dǎo)線弧垂，增大張力機(jī)張力至40 kN。

在此認(rèn)為各滑車軸摩擦系數(shù)相同，均為0.08[12]。

3.2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)測量及數(shù)據(jù)對比

3.2.1 放線滑車載荷

1)數(shù)據(jù)測量

在牽引板分別通過1—10號放線滑車后，待牽引板及導(dǎo)線完全靜止，每隔10 s讀取并記錄5號、7號、8號放線滑車的載荷數(shù)據(jù)，共讀取3次，以3次測量數(shù)據(jù)的平均值作為滑車載荷。

2)數(shù)據(jù)對比

牽引板分別通過1—10號放線滑車時(shí)5號、7號、8號滑車載荷與計(jì)算數(shù)據(jù)的對比分別如圖8—10所示，圖中橫坐標(biāo)為滑車編號，縱坐標(biāo)(左)為滑車載荷，縱坐標(biāo)(右)為滑車測量數(shù)據(jù)與計(jì)算數(shù)據(jù)間相對偏差。

從圖8可以看出，牽引板在通過5號滑車前，載荷最大偏差(絕對值)為2.22 kN，相對偏差13.50%；通過5號滑車后，載荷最大偏差為2.00 kN，相對偏差3.27%；平均相對偏差絕對值為5.02%。

圖8 試驗(yàn)與計(jì)算載荷數(shù)據(jù)對比(5號滑車)Fig.8 Comparison of test data and calculation data of load (No.5 pulley)

從圖9可以看出，牽引板在通過7號滑車前，載荷最大偏差(絕對值)為2.59 kN，相對偏差6.26%；在通過7號滑車時(shí)，偏差值達(dá)到最大，4.04 kN，相對偏差6.97%；通過7號滑車后，載荷最大偏差為1.15 kN，相對偏差1.85%；平均相對偏差絕對值為3.43%。

圖9 試驗(yàn)與計(jì)算載荷數(shù)據(jù)對比圖(7號滑車)Fig.9 Comparison of test data and calculation data of load (No.7 pulley)

從圖10可以看出，牽引板在通過8號滑車前，載荷最大偏差(絕對值)為2.64 kN，相對偏差9.31%；在通過8號滑車時(shí)，偏差值達(dá)到最大，4.01 kN，相對偏差11.02%；通過8號滑車后，載荷最大偏差為0.24 kN，相對偏差0.60%；平均相對偏差絕對值為5.07%。

圖10 試驗(yàn)與計(jì)算載荷數(shù)據(jù)對比圖(8號滑車)Fig.10 Comparison of test data and calculation data of load (No.8 pulley)

3)偏差原因分析

(1)工程中各滑車的實(shí)際摩阻系數(shù)有變化，造成滑車載荷測量數(shù)據(jù)與計(jì)算數(shù)據(jù)的偏差；

(2)無線力傳感器在鐵塔上長時(shí)間懸掛，受氣溫、濕度變化影響，測量數(shù)據(jù)有一定誤差；

(3)對于雙滑車，因無線力傳感器安裝在靠近牽引側(cè)的滑車上，安裝位置不完全水平，造成雙滑車中前后滑車間存在高度差，如圖11所示，造成測量數(shù)據(jù)與計(jì)算數(shù)據(jù)的偏差。

圖11 雙滑車懸掛Fig.11 Suspension double pulley

在后續(xù)試驗(yàn)測量中可以采用以下2條措施減少測量數(shù)據(jù)偏差。

(1)施工放線前應(yīng)對牽引機(jī)、張力機(jī)力值進(jìn)行標(biāo)定并進(jìn)行修正，以減小牽張?jiān)O(shè)備顯示力值對放線參數(shù)計(jì)算結(jié)果影響；

(2)針對雙滑車結(jié)構(gòu)，增加載荷數(shù)據(jù)測量點(diǎn)，獲得更精確載荷測量結(jié)果。

3.2.2 牽引板通過每個(gè)滑車后指定觀測檔弧垂

1)數(shù)據(jù)測量

在牽引板分別通過1—10號放線滑車后，待牽引板及導(dǎo)線完全靜止，使用全站儀測量N4918—N4919、N4919—N4920線檔弧垂，記錄試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

2)數(shù)據(jù)對比

弧垂測量受觀測點(diǎn)位置、觀測人員測量誤差影響較大，測量數(shù)據(jù)有一定波動。

如圖12所示，牽引板通過每個(gè)滑車后N4918—N4919弧垂測量數(shù)據(jù)與計(jì)算數(shù)據(jù)變化趨勢相同，平均相對偏差絕對值為8.69%。

圖12 試驗(yàn)與計(jì)算觀測檔弧垂數(shù)據(jù)對比(N4918—N4919)Fig.12 Comparison of test data and calculation data of observation span sag (N4918—N4919)

如圖13所示，牽引板通過每個(gè)滑車后N4919—N4920弧垂測量數(shù)據(jù)與計(jì)算數(shù)據(jù)變化趨勢相同，平均相對偏差絕對值為7.65%。

圖13 試驗(yàn)與計(jì)算觀測檔弧垂數(shù)據(jù)對比(N4919—N4920)Fig.13 Comparison of test data and calculation data of observation span sag (N4919—N4920)

3.3 試驗(yàn)對比分析

通過以上試驗(yàn)測量數(shù)據(jù)與計(jì)算數(shù)據(jù)的對比可以看出，滑車的載荷數(shù)據(jù)相對偏差在6%以下，觀測檔弧垂相對偏差在9%以下，驗(yàn)證了計(jì)算方法的準(zhǔn)確性，數(shù)據(jù)精度滿足工程需求。

4 結(jié)論

本文在分段懸鏈線理論的基礎(chǔ)上提出了張力放線連續(xù)過程計(jì)算方法，實(shí)現(xiàn)了牽引板從張力機(jī)運(yùn)行到牽引機(jī)全過程的放線狀態(tài)計(jì)算，可精確計(jì)算不同規(guī)格型號的導(dǎo)線及牽引繩的張力及坐標(biāo)、滑車包絡(luò)角及載荷等參數(shù)的空間及時(shí)間連續(xù)數(shù)據(jù)，方法可應(yīng)用于一牽1、一牽2、一牽4等不同放線方式。

通過青海-河南±800 kV特高壓直流工程現(xiàn)場放線工程試驗(yàn)，對放線過程中放線滑車所受載荷、觀測檔導(dǎo)線弧垂等進(jìn)行測量，并與計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了對比。計(jì)算結(jié)果與實(shí)際測量結(jié)果較為吻合，滑車的有效受力數(shù)據(jù)相對偏差在6%以下，觀測檔弧垂相對偏差在9%以下，驗(yàn)證了計(jì)算方法的準(zhǔn)確性。

張力放線連續(xù)過程計(jì)算方法可按施工需要采用牽引力控制、張力控制等不同方式實(shí)現(xiàn)張力放線連續(xù)過程分析，計(jì)算精度滿足工程需求，為放線過程中施工分析提供了便捷工具。